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antriebstechnik 9/2016

antriebstechnik 9/2016

WIND, SONNE, WASSER I

WIND, SONNE, WASSER I SPECIAL Profinet Retrofit Steuerung Steuerung Ethernet / Lasten Simulation Sensor- / Aktuator- Simulation, basierend auf Mehrkörpersimulation Analyse PC mit MATLAB® Simulation 03 Steuerung Austauschbare Steuerung 02 02 Gesamtlösung für Hardware-in-the-Loop-Tests, die sich von hoch performanter Hardware über die Modellintegration bis zu Analyse-Tools erstreckt 03 Neben moderner Hardware für eine Hardware-in-the-Loop-Entwicklung verfügt Phoenix Contact über das Industrie-Know-how 04 Mit Rotor Blade Tension Monitoring lassen sich Steuerungskonzepte wie Model-Predictive-Control realisieren 04 sicherheit und erhöht gleichzeitig die Testqualität. Einfacher Austausch veralteter Steuerungen Viele Windenergieanlagen arbeiten mit Automatisierungssystemen, die zum Teil Jahrzehnte alt sind. Daher können Ersatzteile nur aufwändig und teuer beschafft werden. Außerdem bieten die Lösungen lediglich einen eingeschränkten Zugriff auf die Anlagensteuerung und –diagnose. Mit einem Retrofit lassen sich hingegen neue gesetzliche Rahmenbedingungen erfüllen und so zum Teil die Einspeisevergütung steigern. Ein solches Vorgehen stellt ein klassisches Szenario für einen Hardware-in-the-Loop- Prüfstand dar. Im ersten Schritt wird die WEA dazu modelliert. Dabei müssen in der Regel vorab Messungen durchgeführt und die Parameter des Modells anschließend so weit angepasst werden, bis sie das reale Verhalten der Anlage last- und leistungsäquivalent wiederspiegeln. Dieser Vorgang wird Parameter-Fitting genannt. Danach überführt der Entwickler das Modell auf die Simulationssteuerung und implementiert sämtliche notwendigen Schnittstellen (Sensor-Aktor- Simulation) in der Art, dass die zu ersetzende Anlagen-SPS (Black Box), die an die Simula- tionssteuerung angeschlossen wird, nicht bemerkt, dass sie ein Modell und keine reale WEA regelt. In der Simulation werden dann Normwindfehler erzeugt sowie Referenzlasten und Erträge mit der alten SPS in Echtzeit reproduziert. Im nächsten Schritt verbindet der Entwickler die optimierte, neu entworfene Steuerung mit der gleichen Simulations-SPS wie die auszutauschende Anlagensteuerung und legt identische Lastfälle zugrunde. In diesem Zusammenhang können die neusten Regelungs-Algorithmen – wie prädiktive modellbasierte Regler (Model Predictive Control) – in Kombination mit aktueller Sensorik – beispielsweise dem Rotor-Blade-Tension-Monitoring-System von Phoenix Contact – eingesetzt werden, um ertrags- und lastoptimiert zu regeln. Wie bei der alten Steuerung werden die Simulationsergebnisse auf einen Analyserechner transferiert, so dass sie sich vergleichen lassen. Das stellt sicher, dass mit dem neuen Automatisierungskonzept nicht nur der Ertrag verbessert, sondern auch die Lasten reduziert werden. Noch verbleibende Lebensdauer Die Nutzung neuer Sensorik, wie das Rotor- Blade-Tension-Monitoring-System, trägt zur Verlängerung der Laufzeit bei. Mit dem HIL-Prüfstand lässt sich die Referenzbelastung eines Gewerks unter verschiedenen Belastungsszenarien kosteneffizient ermitteln. Zu diesem Zweck wird die zu ersetzende Black Box mit einer Echtzeit-Simulation gekoppelt und die Lasten werden auf den ursprünglich angenommenen Lebenszeitraum extrapoliert. In der realen Anlage kommt dazu die vorab im SIL-/HIL-Verfahren optimierte Soft- und Hardware zur Anwendung. Darüber hinaus wird online ein Lastenzeugnis generiert, das sich aus den tatsächlichen Lasten ergibt. Diese stets aktuelle Information lässt sich jederzeit mit der Referenzlast vergleichen. Erweist sich die Referenzlast als kleiner als die tatsächliche Last, ist die maximale Lebensdauer erreicht und ein Weiterbetrieb nicht zulässig. Liegt die tatsächliche Last unter der Referenzlast, kann die Lebenszeit der WEA verlängert werden. Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass Phoenix Contact gemeinsam mit morewind ein durchgängiges Konzept bietet, das sich vom innovativen I/O- und Steuerungssystem über die Integration von Matlab Simulink bis zur Modellbildung und dem Prozess-Know-how erstrecken. Auf dieser Basis lassen sich Lösungen erfolgreich und kosteneffizient entwickeln und per Hardware-in-the-Loop testen. www.phoenixcontact.de 74 antriebstechnik 9/2016

Antriebslösungen für kleine Windkraftanlagen und Solar-Tracker Die Anforderungen an die eingesetzte Antriebslösung bei Windturbinen und Solar-Trackern sind vergleichbar. Dies begründet sich dadurch, dass beide Anlagen im Freien betrieben und somit den Einflüssen von Wind und Wetter ausgeliefert sind. Um den besten wirtschaftlichen Nutzen zu erhalten, werden die Anlagen in Gebieten aufgebaut, die ideale Bedingungen aufweisen – viel Sonne, viel Wind. Leider sind diese für Wartungsarbeiten in vielen Fällen nur SCHUTZ! schlecht und mit hohem Aufwand zu erreichen. Hieraus ergeben sich die speziellen Anforderungen hinsichtlich Vibrations-, Temperaturfestigkeit und Lebensdauer der eingesetzten Komponenten. Über die vergangenen Jahre hinweg hat Dunkermotoren sich zum Hersteller für Antriebstechnik im Bereich Solar-Tracker entwickelt. Der Antriebshersteller kennt die oben genannten Herausforderungen und ist mit seiner Expertise der richtige Ansprechpartner im Bereich der Windturbinen. Die Anpassung des Anstellwinkels der Rotorblätter und die Windrichtungsnachführung der Gondel erfolgt mittels Getriebemotoren. Lediglich der richtige Anstellwinkel der Rotorblätter gewährleistet eine optimale Rotationsgeschwindigkeit der Turbine und bietet so den höchsten Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung. Die Überwachung und die Justage des Anstellwinkels müssen schnell und zuverlässig erfolgen, um Schäden an der Turbine oder am Antriebsstrang zu vermeiden. Bei kritischen Windgeschwindigkeiten oder Sturmböen muss der Anstellwinkel der Rotorblätter schnell geändert werden. Aktuatoren müssen auf die Befehle innerhalb von wenigen Millisekunden reagieren und mit einer Positioniergenauigkeit von weniger als einem Grad den Winkel verstellen. Eine weitere Maßnahme zur Regelung der Leistungsabgabe, vor allem bei kleineren Windkraftanlagen, ist die Windrichtungsnachführung. Hierbei wird die komplette Gondel mittels mehreren großen Getriebemotoren aus dem Wind gedreht. Bei Erreichen der Zielposition wird über eine zusätzliche Bremse die Endposition gehalten. Um das Gesamtgewicht der Gondel zu reduzieren, werden an statt eines großen, mehrere kleine Antriebseinheiten zur Verstellung des Anstellwinkels oder der Windrichtungsnachführung eingesetzt. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Antriebseinheiten und der übergeordneten Steuerung erfolgt über einen gängigen Feldbus. FRIZLEN Leistungswiderstände sorgen im Verbund mit leistungselektronischen Geräten für Schutz und Dynamik. Fault-Ride-Through-Widerstände mit hoher Leistungsdichte Filterwiderstände Kompakte Bremswiderstände in Pitchantrieben FRIZLEN Leistungswiderstände Belastbar Zuverlässig Made in Germany www.dunkermotoren.de Tel. +49 7144 8100-0 www.frizlen.com

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